引言
合成生命時代向我們走來

薛定諤認為，生命現象一定能通過物理學和化學來解釋，染色體一定包含了“很多種能夠決定個體未來發展的完整模式的密碼本”。1953年，沃森和克里克發現了DNA雙螺旋結構，這標志著人類邁出了重要一步；2010年，文特爾利用合成DNA創造了第一個“人造細胞”，這預示著合成生命時代向我們 走來。

在一個生命有機體的范圍內，那些發生在空間上和時間上的事件，如何用物理學和化學知識來解釋呢？在解釋這些問題的時候，當前的物理學和化學明顯表現出了“無能為力”的狀態，但這絕不能成為我們合理懷疑這些事件可以用物理學和化學方式來解釋的理由。

——埃爾溫·薛定諤，《生命是什么》

“生命是什么”就這簡簡單單的五個字，卻引發出了無數極具挑戰性的問題。到底是什么把生命體從無生命體中分離了出來？構成生命的基本要素是什么？最早的生命體出現在哪里？第一個生命有機體是如何演化的？生命無處不在嗎？在宇宙中到底存活著多少生命？如果在外星存在著其他生命物種，那么它（他）們是跟我們一樣有智慧嗎，還是比我們更加聰明？

直到今天，在生物學的各個領域中，所有這些關于生命本質和起源的問題仍然持續引發著最廣泛、最激烈的爭論。在一定程度上，我們可以說，生物學整個學科歸根到底是依賴于生命這種現象的。幸運的是，對于上述這些問題的答案，雖然我們現在仍然處于艱苦的探索過程當中，但是在過去的幾十年里，我們已經取得了巨大的進步。事實上，我們記憶猶新的這些最新進展，比現代意義上的人類出現在地球上之后十多萬年以來所取得的全部成就還要巨大。我們現在已經進入了我所說的“數字化生物時代”；在這個時代，原本屬于不同領域的計算機程序和用來對生命進行編程的技術開始合二為一，出現了新的協同效應。在這種效應的推動下，全新的演化方向將會出現，而且演化方式也將變得非常“激進”。

薛定諤的“密碼本”

如果非要讓我對我心目中認定的現代生物科學誕生的時間和地點做一個選擇，那么我會選擇1943年2月的都柏林。因為正是從那個時候開始，奧地利物理學家埃爾溫·薛定諤（Erwin Schr?dinger，1887—1961）把他所有的注意力都集中到了生物學領域的一個核心問題上。1939年薛定諤把家安在了都柏林，一方面是為了逃避納粹的迫害，另一方面是因為這個城市能夠包容他非傳統的家庭生活方式（他過著“三人行”式的家庭生活，在精神上追求“激烈的性冒險”），另外也出于當時的愛爾蘭總統埃蒙·德瓦勒拉（éamon de Valera）的提議，德瓦勒拉在很早以前就曾經邀請薛定諤去都柏林工作。

薛定諤是量子力學中波動方程的提出者，因為這個貢獻，他于1933年獲得了諾貝爾獎。他提出的波動方程非常強大，能夠解釋下自亞原子微粒、上至宇宙本身，以及介于這兩者之間的任何事物的行為。十年之后，在都柏林高等研究院的贊助下（這個研究院本身就是薛定諤他在德瓦勒拉的幫助下成立的），薛定諤在都柏林的圣三一學院舉辦了一個系列講座活動，前后共發表了三次演講。直到今天，這些演講的內容仍然經常被人們引用。薛定諤給這個系列講座確定的題目是《生命是什么：活細胞的物理學觀》。這是從現代物理學的角度對活細胞所進行的一次考察，系列講座部分是因為薛定諤受父親在生物學方面的興趣所鼓舞的結果，部分則是因為他被一篇發表于1935年的論文所激發的結果。這篇論文源于第二次世界大戰前德國物理學和生物學的一次早期碰撞。在當時，德國物理學家卡爾·齊默（Karl Zimmer）和馬克斯·德爾布呂克（MaXDelbrück）曾經與蘇聯的遺傳學家尼古拉（Nikolai Timoféeff-Ressovsky）一起研究過一個課題：估算基因的大小（“大約為1 000個原子”）。他們的估算是建立在X射線破壞果蠅基因的能力和引起果蠅基因突變的能力的基礎上的。

薛定諤是在1943年2月5日（那一天是星期五）下午4：30開始他的系列演講的，當時愛爾蘭總統就坐在他對面的觀眾席上。一個在現場的《時代周刊》記者為我們留下了這樣的描述：“演講現場人滿為患，大量的聽眾被拒之門外。在場的內閣部長們、外交官們、學者們和社會名流們則不停地大聲喝彩。這個出生在維也納的物理學教授的雄心壯志遠遠超過了任何一位數學家。”第二天，《愛爾蘭時報》（The Irish Times）刊登了一篇題為《活細胞和原子》的文章，該文一開頭就強調，薛定諤的目標是，試圖只利用物理和化學原理就搞清楚活細胞內部發生的各種“事件”。這個演講非常受人歡迎，以至于薛定諤不得不在接下來的那個星期再一次發表了同一個系列演講。

對自己的演講稿進行了一番整理和修改之后，薛定諤寫出了一本小冊子，并在第二年公開出版。這本小冊子就是《生命是什么》（What Is Life?）。它出版那年，正好是我出生的前兩年。《生命是什么》這本書已經影響了一代又一代生物學家。在薛定諤發表這些舉世矚目的演講50年周年之際，圣三一學院的邁克爾·P.墨菲（Michael P.Murphy）和盧克·A.J.奧尼爾（Luke A.J.O’Neill）組織了一個隆重的紀念活動，許多學科領域的杰出科學家都應邀前來參加——被列入來賓名單當中久負盛名的客人包括：賈雷德·戴蒙德（Jared Diamond）、斯蒂芬·杰·古爾德（Stephen Jay Gould）、斯圖爾特·考夫曼（Stuart Kauffman）、約翰·梅納德·史密斯（John Maynard Smith）、羅杰·彭羅斯（Roger Penrose）、路易斯·沃爾伯特（Lewis Wolpert）和諾貝爾獎得主克里斯汀·德·迪夫（Christian de Duve）和曼弗雷德·艾根（Manfred Eigen）。這個慶典活動還有一個重要目的，那就是，預測接下來半個世紀的“主宰”將會是什么。《生命是什么》這本書是我的最愛，我至少已經在不同的情境下讀過五遍了。每一次閱讀它的時候，我本人都處于職業生涯的不同階段，因此它每一次都能給我帶來了不一樣的信息以及全新的感受和意義。

薛定諤的這本小冊子之所以擁有如此強大的影響力，恰恰是因為它所要表達的中心內容是極其簡單明了的。在這本書中，薛定諤從一個全新的角度對生物學的核心問題進行了正面沖擊：遺傳以及生物體是如何利用能量來保持自身“有序”的？薛定諤的觀點清晰而簡潔。他認為，生命必須遵守物理法則，由此出發就可以得到一個必然的推論：我們必定能夠利用物理法則來得到一系列有關生命本質的重要結論。薛定諤發現，染色體一定包含了“很多種能夠決定個體未來發展完整模式的密碼本（code-script）”。他推斷，密碼本必定包括“一個秩序井然的原子聯盟，它擁有足夠的電阻以保證秩序的永久性”。薛定諤還解釋了，在一個“非周期性晶體”內的原子數量是如何攜帶了足夠多的遺傳信息的。他使用“晶體”這個術語來暗示它的穩定性，并用此來刻畫它“非周期性”的特點，即這與那種周期性的、重復性的模式是不一樣的。對此，《愛爾蘭時報》的解釋是，這就像是“用一張普通花紋的墻紙與一條有精致刺繡的掛毯相比”。非周期性意味著可能包含著更高的信息含量。薛定諤認為，這個晶體內大量的原子的排列并不是十分復雜，它很可能是與二進制代碼一樣的最基本的東西，比如說，與莫爾斯電碼類似。據我所知，在所有提到遺傳密碼的人當中，薛定諤是有史以來第一個認為它如同二進制代碼一樣簡單的科學家。

就生命而言，最顯著的一個特征就是，它擁有創造秩序的能力，即從我們的混亂化學環境中“培育”出一個復雜而有序的“身體”。乍一看來，這個能力似乎是一個奇跡，它顛覆了悲觀的熱力學第二定律，即一切事物都傾向于從有序走向無序。但是，熱力學第二定律只適用于一個“封閉式系統”，比如說一個密封的試管，然而有生命的物體卻都是開放式的（或者是一個更大的封閉系統中的一小部分），它們融合在周圍的能量和質量當中。生命體花費大量的精力去創造有序而復雜的細胞形式。

薛定諤有許多演講都致力于解釋生命熱力學，但相對于他本人有許多重要洞見的遺傳學和分子生物學領域，他對這個主題的研究不那么充分和深入。對于生命，薛定諤是這樣描述的：生命“本身就是一條濃縮的‘有序的河流’送給我們的禮物，這樣一來，生命就可以避免在‘原子的混亂無序’中衰敗的命運，而且能夠從適宜的環境中汲取‘秩序’來維持自身”。薛定諤力圖搞清楚的是，一個“非周期性晶體”是如何參與到這個創造性的“偉大壯舉”當中的：密碼本內置了一些重新組織附近的化學物質的方法，這樣就能夠在那巨大的熵流中利用“渦流”，保證自身以細胞或身體的形式生活下去。

在第二次世界大戰中，美國為了制造原子彈，組織了“曼哈頓計劃”，無數科學家都參加了這個龐大的項目，并做出了巨大的貢獻。不過，隨著時間的推移，對于這個計劃的“偉大意義”，許多物理學家和化學家開始不再抱有幻想。在這種情況下，薛定諤提出的這些假說極大地激發了他們的興趣，使他們把注意力轉向了生物學。值得注意的是，在薛定諤發表上述系列演講的時候，科學界的共識是，形成遺傳物質的基礎是蛋白質而不是DNA。直到1944年，才出現了第一個明確的證據確鑿無誤地證明，是DNA而不是蛋白質才是信息的載體。事實上，促使美國的詹姆斯·沃森和英國的弗朗西斯·克里克（Francis Crick）去全力探索密碼本奧秘的，正是薛定諤的《生命是什么》這本書；這最終使得他們破譯了DNA：他們發現了生物學中最完美的結構——雙螺旋鏈，在這條鏈當中，隱含著所有的遺傳密碼。在雙螺旋鏈中，每一條鏈都是與其他鏈互補的；它們按相反的方向（反向平行）延伸。因此，這個雙螺旋鏈可以從中間任何一點解開，而且每一條鏈都可以作為另一條鏈的模板或樣板，這樣一來，DNA所包含的信息就可以被復制并進一步傳遞給子孫后代。1953年8月12日，克里克給薛定諤寫了一封信，里面就說到了這些內容，并且還加上了一句：“您提出的那個‘非周期性晶體’的術語運用得非常恰當。”

這個密碼本到底是怎樣發揮作用的呢？到了20世紀60年代，具體精確的細節已經被科學家們揭示出來了，密碼本得到了破譯。在此基礎上，克里克在1970年提出了“中心法則”（central dogma），明確了遺傳信息在生物學系統傳遞的具體途徑和方式。到了20世紀90年代，我帶領的一個研究團隊破解了第一個活細胞的基因組；然后我又帶領另一個研究團隊破譯了人類基因組。我的這個團隊是世界上兩大旨在解讀人類密碼本的頂尖科研團體之一。我們與沃森及其他一些科學家展開了高調的“競賽”，這種競爭不但非常激烈，而且在競爭過程中往往很容易觸怒對方，甚至還帶有一定的政治性。最后，在世紀之交來臨之際，我們團隊獲得了第一個意義非凡的、真正包含了人類生命全部編碼信息的非周期性晶體的詳細密碼本。

在薛定諤的思想中隱含著這樣一個觀念：在生命的第一縷曙光剛剛開始出現的時候，密碼本就已經發送出了它的信號，這個時間大約為距今40億年前。后來的許多學者都對薛定諤這個思想進一步展開了論述。例如，生物學家兼著名科普作家理查德·道金斯（Richard Dawkins）就在這個思想的基礎上提出了“伊甸園之河”這個能夠喚起我們想象的形象比喻。這條緩緩流淌的河流由信息以及能夠創造出生命的編碼構成。一個要點是，DNA在復制過程中的“忠誠度”并不是那么完美的，在“代代相傳”的過程中，不可避免地伴隨著氧化、磨損以及紫外線的損害，這些足以引起DNA的變化，進而產生許多新變異出來的物種。由此而導致的結果是，這條“河流”開始分裂，分出了許多岔道，這就是說，在數十億年的生命演化過程中產生了無數新的物種。

早在半個世紀以前，偉大的演化遺傳學家木村資生（Motoo Kimura）就曾經估計過，在過去的五億年里，遺傳信息的數量增加了一億比特。DNA密碼本已經開始統治生物學，以至于21世紀的生物學將轉變成一門信息科學。對于這個趨勢，諾貝爾獎得主、南非生物學家悉尼·布倫納（Sydney Brenner）評論道：密碼本“必然會成為生物學理論的核心”。現在，分類學家已經開始使用DNA條形碼來區分不同的物種了。其他一些人則開始利用DNA進行計算，或者把DNA作為儲存信息的一種方式。至于我自己，努力的方向并不僅僅局限于解讀生命的數字密碼，我的目標還要更進一步，把它寫出來，并且在計算機里模擬出來，直至對它進行重組以構建出全新的活細胞。